在3D打印的生物载体中构建微藻激活污泥的共生系统，以实现先进的废水处理

《Journal of Water Process Engineering》：Engineering microalgal-activated sludge symbiosis in a 3D-printed biocarrier for advanced wastewater treatment

传统微生物固定化技术存在环境敏感性高、结构不可控等问题，本研究采用3D生物打印技术构建分层微藻-活性污泥共培养载体，通过22G针头和10mm/s速度实现精准打印，5层结构优化后使氮磷去除效率提升7-8%，微藻生长量增加约两倍。

　　

尹善元（Seon-Won Yoon）| 诺真亨（Jin-Hyung Noh）| 朴智贤（Ji-Hyeon Tak）| 吴升大（Seungdae Oh）| 崔秉圭（Byeong-Gyu Choi）| 孟成圭（Sung-Kyu Maeng）

世宗大学土木与环境工程系，韩国首尔广津区Neungdong-ro 209号，邮编05006。

摘要

传统的微生物固定化技术，如生物膜介质和污泥颗粒，在废水处理中得到广泛应用。然而，这些技术依赖于微生物的自然附着和聚集，因此容易受到环境变化的影响。相比之下，3D微生物打印技术能够构建嵌入活微生物的复杂人工结构，克服了传统方法的局限性。本研究通过3D生物打印技术制备了一种策略性设计的微藻激活污泥共培养生物载体，证明了这一技术的可行性。最佳打印条件为使用22G针头和10毫米/秒的打印速度。根据单培养生物载体的特性，载体被设计为5层结构。为了促进共生作用，微藻被放置在最外层以增强光合作用，而激活污泥则分布在中间层，从而形成了分层式的共培养生物载体。这种基于选定条件和策略构建的生物载体为策略性微生物固定化提供了关键的证据。与两种微生物均匀混合的混合型载体相比，该载体可提高可溶性氮和磷的去除效率7-8%，并显著促进微藻生长（约两倍）。这些结果表明，这种结构化配置为微生物的相互作用和增殖提供了更有利的环境。

引言

在废水处理中，微生物细胞固定化是指将悬浮微生物捕获或固定的技术。固定化的微生物具有更好的沉淀性能，能够防止微生物流失，并抵抗冲击负荷，从而实现更稳定的处理效果[1]。典型的例子包括移动床生物膜反应器中的塑料介质上的生物膜以及好氧颗粒污泥（AGS）系统中的微生物颗粒。这些技术依赖于微生物的自然附着或颗粒化过程，目前仍在全球范围内广泛使用。然而，它们存在一些局限性：生物膜的形成需要较长的启动时间；基于介质的系统在运行过程中可能会发生堵塞；在环境条件变化时，固定化的微生物也可能脱落或失去活性，恢复系统的稳定运行可能需要很长时间[2][3]。为了解决这些问题，研究人员一直在努力通过群体感应[4][5][6]提高微生物的稳定性，并开发使用硅藻土粉、木壳和松木锯末等天然材料的新载体[7][8][9]。尽管如此，仍需进一步努力以克服当前的限制，提高废水处理的可靠性和效率。 3D打印（或称增材制造）是一种基于数字3D模型逐层构建结构的技术，可以使用多种材料。3D打印提供了更大的设计灵活性，能够根据具体需求定制产品。作为第四次工业革命的核心技术之一，3D打印在废水处理工程中引起了越来越多的关注。因此，研究人员将这项技术应用于开发各种处理工具，如载体、膜和吸附剂，相关研究也在不断扩展[10][11][12]。同时，3D打印技术也被整合到了动物细胞和微生物等生物成分中。一个典型的例子是3D生物打印，其目标是制造功能性组织或器官。最近，这项技术在废水处理和生物修复等环境工程应用中显示出巨大潜力[13][14][15]。例如，含有Chlamydomonas reinhardtii的3D打印水凝胶过滤器在1小时内去除了水中83%的铜[16]；含有Pseudomonas putida的3D打印水凝胶网格结构在24小时内几乎完全降解了苯酚[17]；含有Oceanimonas sp. XH2的生物支架在12小时内去除了96%的氨[18]。尽管潜力巨大，但大多数关于3D生物打印的研究仍集中在医疗应用或生物墨水开发上，而在废水处理方面的研究大多局限于短期性能评估。特别是，专门为废水处理开发和评估微生物生物载体的工作仍然有限。 3D打印微生物载体可以通过以下过程制备：选择适合特定应用的微生物，并将其与生物相容性材料混合制成可打印的生物墨水。然后将这种混合物打印成载体结构，必要时进行交联或固化等后处理步骤。嵌入打印基质中的微生物可以在材料内保持固定状态的同时发挥其功能。与传统固定化方法（如介质上的生物膜形成或AGS过程中的颗粒形成）相比，这种方法具有多个显著优势。首先，它允许选择目标微生物并高密度接种，从而缩短启动时间。此外，由于打印结果是基于CAD设计的模型，因此可以控制载体的大小和形状。这使得该技术适用于处理具有挑战性的废水，如工业废水或渗滤液。此外，一旦基础设施建成，这些生物载体可以快速大规模生产以应对紧急情况。换句话说，这种方法实现了微生物载体的策略性和高效设计。我们团队之前使用藻酸盐和甲基纤维素开发了含有Chlorella vulgaris的生物墨水和生物载体，并评估了它们在水处理过程中的适用性[19]。 在这项研究中，我们开发了一种3D打印的共培养生物载体，其中嵌入了C. vulgaris（CV）微藻和激活污泥（AS），作为废水处理中微生物固定化的新方法。将微藻与AS共培养可以同时去除废水中的有机碳和营养物质，并建立共生关系：微藻向AS提供O₂，同时从AS获取CO₂用于光合作用。与依赖随机微生物附着的传统固定化方法不同，3D打印方法能够精确控制不同微生物在载体中的空间位置。这使得可以构建空间分层的共培养系统，增强相互作用和物质传递。这种可控性代表了超越被动固定化的关键创新，使得能够设计出用于废水处理的工程化微生物结构。为了系统地实施这种方法，实验程序如下进行：首先，通过综合评估微生物存活率、打印分辨率和打印时间，确定了生物载体制备的最佳打印条件（即针头直径和打印速度）。接下来，制备并表征了单培养的CV和AS微生物载体，以确定载体的打印层数并制定共培养打印策略。最后，基于这些结果，制备了具有分层CV和AS的分层式共培养微生物载体（即STK生物载体），并评估了其在去除氮（N）、磷（P）和有机碳方面的性能，以及其对微生物生长和促进共生协同作用的效果，并与两种微生物均匀混合的混合型载体（MIX生物载体）进行了比较。

微生物和生物墨水

为了制备3D打印生物载体，使用了Chlamydomonas reinhardtii（CV）和激活污泥（AS）。选择CV是因为其在去除氮和磷方面的有效性已在我们的先前研究中得到验证[19]。CV（AG10032）来自韩国大田的韩国典型培养物收藏中心（KCTC），并在0.8升灭菌的BG-11培养基（pH 7.0–7.2）中培养。AS是从首尔某市政污水处理厂的曝气池中收集的，其生物量通过半连续培养方法进行了富集。

生物载体制备的最佳打印条件

在基于挤出的3D生物打印中，针头直径和打印速度是影响微生物存活率、打印分辨率和打印时间的关键参数。对这些参数进行了全面评估，以确定生物载体制备的最佳条件。不同条件下的挤出压力和打印时间总结在表1中，而打印分辨率和微生物存活率则在图2中展示。

结论

在这项研究中，我们开发了一种新型的3D打印共培养生物载体，作为探索废水处理替代载体配置的一部分。在制备之前，首先研究了包括针头直径和打印速度在内的关键打印参数。选择了22G针头和10毫米/秒的打印速度来制备生物载体。确定打印层数为5层，这样既保证了结构稳定性，又提供了较大的比表面积。

CRediT作者贡献声明

尹善元（Seon-Won Yoon）：研究工作、数据整理。 诺真亨（Jin-Hyung Noh）：研究工作。 朴智贤（Ji-Hyeon Tak）：方法论、概念设计。 崔秉圭（Byeong-Gyu Choi）：撰写 – 审稿与编辑、数据整理。 孟成圭（Sung-Kyu Maeng）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、研究工作、资金申请。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）基础科学研究计划的支持，该计划由教育部资助（项目编号：RS-2024-00412399）。 崔秉圭（Byeong-Gyu Choi）还获得了韩国环境研究院（NIER）的资助，该研究院由环境部（MOE）资助（项目编号：NIER-2025-01-01-027）。